Ионное произведение воды

Вода – слабый электролит. Ее ионизация

Н₂О ↔ ОН⁻ + Н⁺

описывается константой

.

Концентрация непроионизировавших (непродиссоциировавших) молекул воды практически не меняется при смещении равновесия, поэтому как постоянную величину ее можно объединить в виде произведения с K_i в новую константу K_w, называемую ионное произведение воды

.

K_w не зависит от концентрации ионов ОН⁻ или Н⁺. Их произведение при данной температуре есть величина постоянная, например, при 298 К K_w=1,008·10⁻¹⁴ (моль/л)². Более удобно пользоваться величиной, полученной после логарифмирования, обозначив действие оператором pX=−lgX:

При равновесии [ОН⁻] = [Н⁺] = = 10⁻⁷ моль/л, поэтому pOH = pH = 7 для нейтрального раствора. В кислом растворе [ОН⁻] < [Н⁺] и pH < 7 (например, pH = 3, pOH = 14–3 = 11). В щелочном растворе [ОН⁻] > [Н⁺] и pH > 7 (например, pH = 9, pOH = 14–9 = 5).

Процесс ионизации воды сопровождается поглощением энергии в форме теплоты (∆H_i>0), поэтому при увеличении температуры K_w возрастает. Например, при 100^о С pK_w=12,23, то есть почти в 100 раз больше, чем при 25^о С.

Гидролиз солей

Чистая вода имеет нейтральную реакцию, так как при ее ионизации:

HOH ↔ H⁺ + OH^─

концентрации ионов H⁺ и OH^– равны.

Опыт показывает, что водные растворы средних солей имеют кислую, щелочную или нейтральную реакции, хотя их молекулы не содержат ни ионов Н⁺, ни ионов ОН^–. Это объясняется обратимым взаимодействием ионов соли с молекулами воды, сопровождающимся нарушением равновесия ионизации воды (изменением рН раствора), которое называется гидролизом соли. При этом образуется слабый электролит.

Гидролизу подвергаются соли, образованные при взаимодействии:

1. слабой кислоты и сильного основания (CH₃COONa);
2. слабого основания и сильной кислоты (NH₄Cl);
3. слабой кислоты и слабого основания (CH₃COONH₄).

Рассмотрим первый случай.

Ацетат натрия CH₃COONa в воде полностью диссоциирует на ионы, т.к. является сильным электролитом. Ионное уравнение гидролиза:

CH₃COO^–+ Na⁺ + HOH ↔ CH₃COOH + Na⁺ + OH^–

показывает, что образуется уксусная кислота ‑ слабый электролит, то есть ионы H⁺ связываются ионами CH₃COO^–. Ионов OH^– в р-ре становится больше, чем Н⁺ ‑ р-р имеет щелочную реакцию (pH>7). Говорят, что имеет место гидролиз по аниону.

Во втором случае раствор NH₄Cl имеет кислую реакцию (pH<7), т.к. ионы OH^– связываются катионами NH₄⁺ с образованием слабого электролита NH₃·H₂O. Это пример гидролиза по катиону, при котором концентрация Н⁺ становится больше, чем концентрация гидроксил ионов.

В третьем случае происходит гидролиз и по катиону, и по аниону. Значение pH раствора зависит от соотношения сил слабой кислоты и слабого основания.

Хлорид натрия NaCl не подвергается гидролизу, раствор имеет нейтральную реакцию (pH=7), ионы H⁺ и OH^– не связываются, так как NaOH и HCl^– сильные электролиты.

Na⁺ + Cl^– + HOH ↔ Na⁺ + OH^– + H⁺ + Cl^–.